某矿用半挂车车架有限元分析及拓扑优化杜现斌

煤矿机械Coal Mine Machinery Vol.34No.01 Jan.2013

第34卷第01期2013年01月

1建立车架有限元模型

在不影响分析结果精度及准确度的情况下对半挂车车架进行一些必要的简化及假设：（1）去除组合灯支架及对强度、刚度影响不大的立柱下方盒、下方盒翼板等；（2）忽略车架上细小的折弯和圆角等结构；（3）假设该车架各部件的焊接均为等强度焊接，且强度等于部件本身的强度；（4）整个组成车架的部件材料假设一致且各向材质同性。

车架的形状复杂，在建立有限元模型时，采用能较好适应不规则形状而且能满足一定精度要求的shell93号板壳单元，该单元是8节点二阶单元，单元每个节点有6个自由度。对车架进行网格划分时，要注意对网格数量、疏密、阶次、质量和布局的控制。本文采用单元边长40mm为参考划分网格（部分位置进行了细化），整个模型有43175个单元，134673个节点（模型略）。

2边界条件及载荷施加

边界条件半挂车车架前部通过牵引销座板支撑在牵引车鞍座上，车架后部有4组支架，通过钢板弹簧、轮胎支撑在路面上。由于不考虑钢板弹簧的作用，因此可将边界条件做如下处理：在半挂车前部将牵引销座板的中间位置作全约束；在半挂车后部约束各支架Y向（即垂直方向）位移。

载荷施加半挂车所受载荷比较简单，主要是自身重力及货物重力。自身重力的施加通过定义材料密度以及垂直方向振动加速度的方式实现，货物则以均布力的形式作用在主纵梁上翼板、副纵梁上翼板及边框的上表面。

3车架的有限元分析及结果

（1）静态满载弯曲工况

满载弯曲工况下半挂车车架整体应力分布如图1所示。从图中可以看出在满载弯曲工况下，车架前部以及后桥一轴前后的应力较大，最大应力为524MPa,出现在车架横梁A与纵加强板焊接的位置，如图2所示。从图中可以看出，除了2个与纵加强板焊接的位置，整个车架横梁A的应力水平都比较高。车架横梁A所用的设计材料为高强度热轧冷成型钢，其屈服极限为700MPa，所以在静态弯曲工况下，满足强度要求。但在实际使用中，由于路面冲击、车架振动等原因，此处的实际应力水平可能高于材料的屈服极限，容易发生开裂等破坏。

图1弯曲工况整体应力云图图2弯曲工况前端应力图（2）静态满载扭转工况

扭转工况是指该矿用半挂车行驶在不平路面

某矿用半挂车车架有限元分析及拓扑优化

杜现斌，张为春

（山东理工大学交通与车辆工程学院，山东淄博255049）

摘要：车架是整车的关键部分，为了对其进行优化设计，基于有限元分析软件ANSYS建立车架有限元模型，再对车架在弯曲、扭转2种典型工况下施加相应的边界条件和载荷进行静态分析，通过分析结果找出车架中应力较大的部位来校验其强度是否符合要求，最后对车架进行初步的拓扑优化。

关键词：有限元分析；拓扑优化；矿用半挂车车架

中图分类号：TD562文献标志码：A文章编号：1003－0794（2013）01－0113－02 Finite Element Analysis and Topology Optimization of Mine Semi-

trailer Frame

DU Xian-bin,Z H ANG Wei-chun

(School of Transportation and Vehicle Engineering,Shandong University of Technology,Zibo255049,China) Abstract:Frame is a key part of the vehicle,and for the sake of the optimization of design,the finite element model of the frame was created based on ANSYS,and then applied the corresponding boundary conditions and loads for static analysis under the two typical operating conditions of the bending and twisting.And then identified the part suffered a relatively bigger stress in the frame by analyzing the results to verify whether it meets the requirements of its strength.And finally,a preliminary topology optimization was made for the frame.

Key words:finite element analysis;topology optimization;mine semi-trailer frame

NODAL SOLUTION SUB=1

TIME=1

SEQV(AVG) DMX=10.628 SMX=523.695JUN32011

09:15:02

NODAL SOLUTION SUB=1

TIME=1

SEQV(AVG) DMX=10.628 SMX=523.695JUN32011

09:48:07

0116.377232.753349.13465.507

58.188174.565290.942407.318523.6950116.377232.753349.13465.507

58.188174.565290.942407.318523.695 X

X

A 113

基于ANSYS Workbench的车架结构有限元分析及拓扑优化技术研究

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目录 摘要................................................................................................................................I ABSTRACT......................................................................................................................II 第1章绪论.. (1) 1.1课题来源 (1) 1.2课题研究背景与意义 (1) 1.3国内外研究现状及分析 (3) 1.3.1国外研究现状 (3) 1.3.2国内研究现状 (4) 1.4本文的主要研究内容 (6) 第2章车架的静力学性能分析 (7) 2.1引言 (7) 2.2车架有限元分析 (7) 2.2.1车架强度理论 (7) 2.2.2车架结构有限元模型设置 (8) 2.2.3车架不同网格的数值模拟 (9) 2.3车架满载弯曲性能分析 (11) 2.3.1弯曲强度分析 (11) 2.3.2弯曲刚度分析 (12) 2.4车架满载扭转性能分析 (12) 2.4.1扭转强度分析 (12) 2.4.2扭转刚度分析 (13) 2.5车架结构的性能校核 (14) 2.6车架结构的改进方案 (15) 2.7本章小结 (15) 第3章车架结构的模态性能分析 (16) 3.1引言 (16) 3.2模态的理论基础 (16) 3.2.1模态分析理论 (16) 3.2.2模态分析的有限元法 (17) -III-

(完整word版)半挂车设计计算书

概述 半挂车，具有机动灵活、倒车方便和适应性好的特点，这种车可以提高装载量，降低运输成本，提高运输效率。由于装载量的不同要求，对于车架的承受载荷也有不同，该半挂车的轴距较大，因而对车架的强度与刚度的要求也较高。对车架的强度与刚度进行了分析计算。 半挂车参数表 车架结构设计 本车架采用采平板式，为了具有足够的强度和刚度,所设计车架材料选用Q235钢板,采用焊接式结构。 2.1 总体布置

图1 车架总体布置图 2.2 纵梁 纵梁是车架的主要承载部件，在半挂车行驶中受弯曲应力。为了满足半挂车公路运输、道路条件差等使用性能的要求，纵梁采用具有很好抗弯性能的箱形结构，纵梁断面如图2所示。上翼板是一块覆盖整个车架的大板，图中只截取一部分。 图2 纵梁截面示意图 为了保证纵梁具有足够的强度，在牵引销座近增加了加强板；为减小局部应力集中，在一些拐角处采用圆弧过渡。在轮轴座附近也增加了加强板(图1中轮轴座附近)。由于半挂车较宽，为防止中间局部变形过大，车架的中间增加了倒T形的纵梁加强板。

图3 部分加强板示意图 2.3 横梁 横梁是车架中用来连接左右纵梁，构成车架的主要构件。横梁本身的抗扭性能及其分布直接影响着纵梁的内应力大小及其分布。本车架的19根横梁，主要结构形状为槽形。 2.4纵梁和横梁的连接 车架结构的整体刚度，除和纵梁、横梁自身的刚度有关外，还直接受节点连接刚度的影响，节点的刚度越大，车架的整体刚度也越大。因此，正确选择和合理设计横梁和纵梁的节点结构，是车架设计的重要问题，下面介绍几种节点结构。 一、 横梁和纵梁上下翼缘连接（见图4（a ））这种结构有利于提高车架的扭转刚度，但在受扭严重的情况下，易产生约束扭转，因而在纵梁翼缘处会出现较大内应力。该结构形式一般用在半挂车鹅劲区、支承装置处和后悬架支承处。 二、横梁和纵梁的腹板连接（见图4（b ））这种结构刚度较差，允许纵梁截面产生自由翘 曲，不形成约束扭转。这种结构形式多用在扭转变形较小的车架中部横梁上。 三、横梁与纵梁上翼缘和腹板连接（见图4（c ））这种结构兼有以上两种结构的特点，故应用较多。 四、横梁贯穿纵梁腹板连接（见图4（d ））这 种结构称为贯穿连接结构，是目前国内外广泛采 用的半挂车车架结构。它在贯穿出只焊接横梁腹 板，其上下翼板不焊接，并在穿孔之间留有间隙。 当纵梁产生弯曲变形时，允许纵梁相对横梁产生 微量位移，从而消除应力集中现象。但车架整体 扭转刚度较差，需要在靠近纵梁两端处加横梁来提高扭转刚度。 贯穿式横梁结构，由于采用了整体横梁，减少了焊缝，使焊接变形减少。同时还具有 （a ） （b ） （c ） 图4（d ）贯穿式横梁结构 图4 半挂车纵梁和横梁的连接

电动汽车车架拓扑优化分析

摘要 车架一般由纵梁和横梁组成。其形式主要有边梁式和中梁式两种， 边梁式车架由两根位于两边的纵梁和若干根横梁组成，用铆接法或者焊接法将纵梁与横梁连接成坚固的刚性构架。 纵梁通常用低合金钢板冲压而成，断面形状一般为槽型，也有的做成Z形或箱型。很据汽车形式的不同和结构布置的要求，纵梁可以在水平面内或纵平面内做成弯曲的，以及等断面或非等断面的。 横梁不仅用来保证车架的扭转刚度和承受纵向载荷，而且还可以支撑汽车上的主要部件。通常载货车有5~6根横梁，有时会更多。边梁式车架的结构特点是便于安装驾驶室、车厢及一些特种装备和布置其他总成，有利于改装变型车和发展多品种汽车，因此被广泛用在载货汽车和大多数特种汽车上 关键词：车架,衡量,纵梁

Abstract The frame consists of longitudinal and cross beam. Edge beam and beam type two kind of main forms, Composition of the side frame is composed of two is located on both sides of the longitudinal beams and a plurality ofbeams, by riveting or welding the longitudinal beam and the cross beam are connected into a rigid framework rugged. Stringer is usually made by low alloy steel plate stamping, section shape is generally shaped, some made of Z shaped or box. According to the different forms of the car and structural layout, longitudinal beam can be made into a curvedin the horizontal plane and vertical plane or, as well as the section section. Not only to ensure the beam frame torsional stiffness and bearing vertical load, but also can support the main auto parts. Usually the truck with 5~6 beam, sometimes more. Structural characteristics of the side frame is easy to installthe cab, carriages and some special equipment and arrangement of other assembly, is conducive to the modifiedvariation and development of variety car, so it is widely used in the truck and the majority of special purpose vehicle

半挂车说明书

半挂车系列使用说明书 融富通铝业股份

前言 我公司新开发研制的系列半挂车采用优质铝合金材料，结构先进、性能优良、使用可靠、维修方便。使用本半挂车可有效地提高运输效率、降低运输成本、增加经济效益，是理想的公路运输用车。 为使您了解本半挂车的结构、性能、使用、维修及维护保养，充分发挥半挂车的使用效能、有效地提高使用寿命，特编制本说明书，请您按照本说明书的要求，正确操作、合理使用、及时保养和维修。 本说明书仅对半挂车的结构、性能、使用及维护保养方法做重点说明。 牵引车部分按《牵引车使用说明书》进行使用和保养。 您在使用过程中如果发现该半挂车有什么问题，或者还有什么要求，请及时反馈给本公司，本公司竭诚为用户服务，尽力满足用户的需求。

目录 一、外形简图 二、主要技术参数 三、使用围 四、使用保养及注意事项 五、各主要总成的结构特点及使用与保养 六、产品的运输与贮存 七、质量保证 八、随车工具、备件及技术资料 一、半挂车外形简图

二、主要技术参数 1、__________型厢式半挂车 型号： 外形尺寸(mm)： 长 宽 高 车厢栏板尺寸(mm)： 长 宽 高 最大总质量(kg)： 轴荷(kg)： 牵引销处 半挂车三轴 整车整备质量(kg)： 额定载质量(kg)： 半挂车轮距(mm)： 半挂车轴距(mm)： 后悬： 车轮： 轮胎规格： 车轮数量(个)： 轮胎气压(KPa)： 轮辋形式： 轴数： 离去角

三、列车的使用围： 本半挂是公路用车，即在道路条件较好的情况下，能充分发挥其效能。如在道路条件较差的情况下，要限制使用，即采取减载缓行等措施。 四、列车的使用保养及注意事项： 1、牵引车与半挂车的脱开： （1）将列车停在平坦的场地或路面上，摇下支撑装置，使其在接触地面后充分受力，关闭气分离开关，拔下电源插销以及ABS插销、取下气路联接器（即气接手），脱开牵引座板锁勾。 （2）关闭牵引车手制动阀，将牵引车缓缓开出，牵引车与半挂车即可脱开。2、牵引车与半挂车的结合： （1）向后缓缓倒牵引车，接通七孔电源插座、ABS插座及气路联接器，打开分离开关，接合半挂车牵引座板撞车，锁勾即可锁住牵引销。 （2）给制动系统充气、直至半挂车制动气室解除制动（气压约为490KPa），方可起步运行。 3、半挂车的保养： （1）列车的所有紧固件皆应保持紧固状态，不得有任何松动现象，定期检查挂车上牵引销装配螺栓紧固或更换，尤其要注意悬架系统U型螺栓和导向壁支架调整螺栓的紧固。 （2）应经常检查制动系统的密封性和可靠性。如发现漏气和制动失灵，应及时检查和修理。对任何不能正常使用的零部件应及时修复和更换。 （3）各润滑部位应定期定量加注润滑油，以确保各传动付的可靠。特别要注意挂车后轴制动凸轮轴和调整臂以及牵引座板的润滑。 （4）应经常检查漆面是否完好，如有掉漆磕碰、划伤等缺陷应及时补漆，以防氧化腐蚀。 （5）应经常检查灯光照明及各种信号、标志等装置工作的可靠性，如有失效及损坏应及时更换和修理。 （6）应经常注意检查半挂车与牵引底盘是否行驶在一条直线上（即列车的纵向中心上），如发现偏斜，则通过导向臂支架上调整插片来调整轴距，具体操作方法：轻敲调整插片上下移动即可使导向臂在支架上长条孔的围前后移动，达到调节轴距的作用。测量相关尺寸，达到整车厂规定的公差要求，以免造成轮胎不正常磨损。

半挂车设计计算书样本

概述 半挂车, 具有机动灵活、倒车方便和适应性好的特点, 这种车能够提高装载量, 降低运输成本, 提高运输效率。由于装载量的不同要求, 对于车架的承受载荷也有不同, 该半挂车的轴距较大, 因而对车架的强度与刚度的要求也较高。对车架的强度与刚度进行了分析计算。 半挂车参数表 车架结构设计 本车架采用采平板式, 为了具有足够的强度和刚度,所设计车架材料选用Q235钢板,采用焊接式结构。 2.1 总体布置

图1 车架总体布置图 2.2 纵梁 纵梁是车架的主要承载部件, 在半挂车行驶中受弯曲应力。为了满足半挂车公路运输、道路条件差等使用性能的要求, 纵梁采用具有很好抗弯性能的箱形结构, 纵梁断面如图2所示。上翼板是一块覆盖整个车架的大板, 图中只截取一部分。 图2 纵梁截面示意图 为了保证纵梁具有足够的强度, 在牵引销座近增加了加强板; 为减小局部应力集中, 在一些拐角处采用圆弧过渡。在轮轴座附近也增加了加强板(图1中轮轴座附近)。由于半挂车较宽, 为防止中间局部变形过大, 车架的中间增加了倒T形的纵梁加强板。

图3 部分加强板示意图 2.3 横梁 横梁是车架中用来连接左右纵梁, 构成车架的主要构件。横梁本身的抗扭性能及其分布直接影响着纵梁的内应力大小及其分布。本车架的19根横梁, 主要结构形状为槽形。 2.4纵梁和横梁的连接 车架结构的整体刚度, 除和纵梁、横梁自身的刚度有关外, 还直接受节点连接刚度的影响, 节点的刚度越大, 车架的整体刚度也越大。因此, 正确选择和合理设计横梁和纵梁的节点结构, 是车架设计的重要问题, 下面介绍几种节点结构。 一、横梁和纵梁上下翼缘连接( 见图4( a) ) 这种结构有利于提高车架 的扭转刚度, 但在受扭严重的情况下, 易产生约束扭转, 因而在纵梁翼缘处会出现较大内应力。该结构形式一般用在半挂车鹅劲区、支承装置处和后悬架支承处。

机械结构拓扑优化设计研究现状及其发展趋势

机械结构拓扑优化设计研究现状及其发展趋势 发表时间：2018-12-27T16:17:28.400Z 来源：《河南电力》2018年13期作者：谢进芳 [导读] 机械产品应用范围相对较广，为确保机械产品在我国日常生活及企业从生产中得到有效应用，实施优化设计十分必要。 （广东科立工业技术股份有限公司广东省佛山市 528000） 摘要：随着现代科学技术的发展，市场产品竞争也越来越激烈，产品品种的换代速度加快，产品的复杂性在不断增加。所以产品生产正在以小批量、多品种的生产方式取代过去的单一品种大批量生产方式。而这种生产方式，肯定会缩短产品的生产周期，产品的成本也会降低，产品提高市场的占有率和竞争力也会提高。所以在机械结构设计中采用优化设计是满足市场竞争的需要。 关键词：机械结构拓扑；现状；发展趋势 引言 机械产品应用范围相对较广，为确保机械产品在我国日常生活及企业从生产中得到有效应用，实施优化设计十分必要。目前我国已经针对机械结构优化设计进行了研究，并取得一定成果，主要表现在船舶行业、焊工航天以及汽车行业等。机械结构的优化设计可有效提高其产品性能并增加其自身市场竞争力，对其市场发展起重要作用。 1.机械结构优化设计 随着科学技术的发展，机械产品更新换代的速度越来越快。过去，机械产品主要是大批量生产，产品相对单一。目前采用的是小批量加工方式，以保证产品的多样性。为了保证生产企业的利润，必须在保证质量的前提下，缩短生产周期，降低生产成本。优化设计能够达到上述目标，在一定程度上缩短了生产时间，降低了成本，有效地抢占了市场。机械结构优化设计已广泛应用于造船、运输、航空航天、冶金、纺织、建筑等领域。 机械结构优化设计流程主要包括：（1）针对所优化机械产品尽心目标函数优化设计，可确保机械产品相关技术指标符合优化要求。（2）设计机械产品优化函数变量，变量设计包括机械产品长度、厚度以及弧度等相关结构参数。（3）对机械产品优化设计约束条件进行设定，对计算过程中各项变量浮动范围进行限定。（4）通过以上步骤得出多种优化设计方案，分别对不同方案进行评价，根据机械结构优化设计需求选择最佳方案实施。 2.机械结构拓扑优化设计常用方法 （1）均匀化方法 常用的连续结构拓扑优化设计方法主要有均匀化方法、变密度方法、水平集方法以及进化结构优化方法等。 均匀化方法属于材料描述方式，基本思想是将微结构模型引入结构拓扑优化设计领域，以微结构的单胞尺寸参数为设计变量，根据单胞尺寸的变化实现微结构的增删，优化实体与孔的分布形成带孔洞的板，达到结构拓扑优化的目的。优化过程：①设计区域的划分；②确定设计变量；③进行拓扑优化设计；④以不同的微结构形式的分布显示连续结构的形状和拓扑状态。 图1 微结构单胞示意图 微结构的划分形式通常有空孔、实体和开孔 3种，空孔是指没有材料的微结构，其孔的尺寸为 1；实体是指具有各向同性材料的微结构，其孔的尺寸为 0；开孔是指具有正交各向异性材料的微结构，其孔的尺寸介于 0~1 且可变化。设计区域划分为空孔、实体和开孔的微结构形式。简单的二维微结构单胞示意图如图 1 所示。微结构上孔的尺寸和方位角是设计变量，其中孔的尺寸是微结构材料主方向，它可以由坐标转换矩阵体现在材料的有效弹性模量上，通过微结构的密度与有效弹性模量之间的关系曲线，把设计变量与结构各处的形态联结起来。在结构拓扑优化设计过程中，微结构中孔的尺寸和在 0～1 的变化区域就可使各微结构在空孔与实体之间变化，这样就可用连续变量对结构优化设计问题进行描述。 均匀化结构拓扑优化方法涉及的设计变量非常多，用的较多的优化算法是准则优化算法。 （2）变密度方法 变密度方法式是引入一种假想的密度在 0～1可变的材料，采用材料的密度作为优化设计变量，实现结构的拓扑变化；材料弹性模量等物理参数与材料密度间的关系也是人为假定的；这样不但将结构的拓扑优化问题转换为材料的最优分布问题，还可使优化结果尽可能具有非 0 即 1 的密度分布。变密度结构拓扑优化方法与采用尺寸变量相比，它更能反映拓扑优化的本质特征。因此，在实际工程的结构优化设计中大多采用变密度方法来解决结构优化问题。变密度结构拓扑优化方法常用的插值模型是固体各向同性惩罚微结构模型（SIMP）。由于变密度结构拓扑优化方法更能反映拓扑优化的本质特征，且概念简单、设计变量数目少，简化了计算求解过程，因此，变密度结构拓扑优化方法成为目前最常用的、也是用的最多的结构优化设计方法。 3.机械结构优化的应用趋势 随着优化方法的不断发展和完善，结构优化设计也逐渐发展起来。近年来，在结构优化算法方面，由于结构优化设计中变量较多，结构优化设计往往采用接近实际情况的复杂结构模型来模拟一些大型结构系统。因此，新的准则优化方法备受关注，但如何为一些特殊结构

某矿用半挂车车架有限元分析及拓扑优化杜现斌

煤矿机械Coal Mine Machinery Vol.34No.01 Jan.2013 第34卷第01期2013年01月 1建立车架有限元模型 在不影响分析结果精度及准确度的情况下对半挂车车架进行一些必要的简化及假设：（1）去除组合灯支架及对强度、刚度影响不大的立柱下方盒、下方盒翼板等；（2）忽略车架上细小的折弯和圆角等结构；（3）假设该车架各部件的焊接均为等强度焊接，且强度等于部件本身的强度；（4）整个组成车架的部件材料假设一致且各向材质同性。 车架的形状复杂，在建立有限元模型时，采用能较好适应不规则形状而且能满足一定精度要求的shell93号板壳单元，该单元是8节点二阶单元，单元每个节点有6个自由度。对车架进行网格划分时，要注意对网格数量、疏密、阶次、质量和布局的控制。本文采用单元边长40mm为参考划分网格（部分位置进行了细化），整个模型有43175个单元，134673个节点（模型略）。 2边界条件及载荷施加 边界条件半挂车车架前部通过牵引销座板支撑在牵引车鞍座上，车架后部有4组支架，通过钢板弹簧、轮胎支撑在路面上。由于不考虑钢板弹簧的作用，因此可将边界条件做如下处理：在半挂车前部将牵引销座板的中间位置作全约束；在半挂车后部约束各支架Y向（即垂直方向）位移。 载荷施加半挂车所受载荷比较简单，主要是自身重力及货物重力。自身重力的施加通过定义材料密度以及垂直方向振动加速度的方式实现，货物则以均布力的形式作用在主纵梁上翼板、副纵梁上翼板及边框的上表面。 3车架的有限元分析及结果 （1）静态满载弯曲工况 满载弯曲工况下半挂车车架整体应力分布如图1所示。从图中可以看出在满载弯曲工况下，车架前部以及后桥一轴前后的应力较大，最大应力为524MPa,出现在车架横梁A与纵加强板焊接的位置，如图2所示。从图中可以看出，除了2个与纵加强板焊接的位置，整个车架横梁A的应力水平都比较高。车架横梁A所用的设计材料为高强度热轧冷成型钢，其屈服极限为700MPa，所以在静态弯曲工况下，满足强度要求。但在实际使用中，由于路面冲击、车架振动等原因，此处的实际应力水平可能高于材料的屈服极限，容易发生开裂等破坏。 图1弯曲工况整体应力云图图2弯曲工况前端应力图（2）静态满载扭转工况 扭转工况是指该矿用半挂车行驶在不平路面 某矿用半挂车车架有限元分析及拓扑优化 杜现斌，张为春 （山东理工大学交通与车辆工程学院，山东淄博255049） 摘要：车架是整车的关键部分，为了对其进行优化设计，基于有限元分析软件ANSYS建立车架有限元模型，再对车架在弯曲、扭转2种典型工况下施加相应的边界条件和载荷进行静态分析，通过分析结果找出车架中应力较大的部位来校验其强度是否符合要求，最后对车架进行初步的拓扑优化。 关键词：有限元分析；拓扑优化；矿用半挂车车架 中图分类号：TD562文献标志码：A文章编号：1003－0794（2013）01－0113－02 Finite Element Analysis and Topology Optimization of Mine Semi- trailer Frame DU Xian-bin,Z H ANG Wei-chun (School of Transportation and Vehicle Engineering,Shandong University of Technology,Zibo255049,China) Abstract:Frame is a key part of the vehicle,and for the sake of the optimization of design,the finite element model of the frame was created based on ANSYS,and then applied the corresponding boundary conditions and loads for static analysis under the two typical operating conditions of the bending and twisting.And then identified the part suffered a relatively bigger stress in the frame by analyzing the results to verify whether it meets the requirements of its strength.And finally,a preliminary topology optimization was made for the frame. Key words:finite element analysis;topology optimization;mine semi-trailer frame NODAL SOLUTION SUB=1 TIME=1 SEQV(AVG) DMX=10.628 SMX=523.695JUN32011 09:15:02 NODAL SOLUTION SUB=1 TIME=1 SEQV(AVG) DMX=10.628 SMX=523.695JUN32011 09:48:07 0116.377232.753349.13465.507 58.188174.565290.942407.318523.6950116.377232.753349.13465.507 58.188174.565290.942407.318523.695 X X A 113

半挂车设计浅析

“半挂车设计浅析” 作者：于平，吴迎波，郭维{陕西德仕汽车部件(集团)有限责任公司, 锡诺汽车(山东)有限公司 摘要:本文介绍了半挂车技术特点及半挂车在设计过程中需注意的 一些事项,运用有限元软件ANSYS对车架模型进行静力学和模态分析,验证了该车型结构安全可靠,为设计半挂车设计提供了参考,减少了 设计中问题的发生。 前言：随着我国高速公路的快速发展,公路运输己成为货物运输的一种重要方式,半挂车以及用于城市配套服务车辆的需求量将大大增加。半挂车设计虽然技术含量较低,但不明白其设计原理的一味仿制, 制造出来的产品就有可能发生大梁断裂的事故,有的厂家为了防止大梁断裂,一味地盲目增加车架强度,设计的半挂车“粗大笨重'',费油费车,严重浪费资源,增加用户的使用成本,也会造成大量索赔的发生。所以,采用新材料、新工艺,减轻自重,提高运输效率,对于推动我国专用汽车技术进步,缩短与国外产品的差距无疑具有十分重要的意义。 内容：包括以下六方面 1.半挂车的轻量化设计 通过有限元软件进行模拟仿真后对车架结构进有行优化,纵梁尾部可采用变截面设计,同时采用贯穿梁结构的横梁设计可大大减轻整车的重量；车架、车厢、悬架等采用高强度钢板材进行设计,根据经

验法则,应用髙强度钢板的车辆重量可以减轻25%~30%，在保证车厢强度不变的情况下,高强度钢半挂车比普通半挂车降重约一吨,同时,使用高强度钢进行设计能提高了车辆使用寿命,减少了车辆的维修成本,随着车辆自重的减轻,油耗也随之减少,间接增加客户的运输利润。

图1. 50t重载条件下车架应力分布和车架变形图

2.半挂车的制动系统 当气管路漏气或牵引车在行驶中突然与半挂车脱开造成管路开脱时,半挂车可自行制动。挂车的制动不能成为一个单独、完整的体系,它必须与牵引车一起才能实现制动作用。反之,牵引车的制动虽能成为一个单独、完整的体系,但它并不能代表或反映整个汽车列车的制动性能。因而，只有将牵引车和挂车制动装置合在一起,才能统称为完整的汽车列车的制动。牵引车和挂车的制动应协调，并满足一定的制动顺序。 图2.两轴汽车气路图 半挂汽车列车的制动顺序是: 牵引车前轮--》半挂车后轮--》牵引车后轮

ANSYS拓扑优化原理讲解以及实例操作

拓扑优化是指形状优化，有时也称为外型优化。 拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多载荷的物体的最佳材料分配方案。这种方案在拓扑优化中表现为“最大刚度”设计。与传统的优化设计不同的是，拓扑优化不需要给出参数和优化变量的定义。目标函数、状态变量和设计变量（参见“优化设计”一章）都是预定义好的。用户只需要给出结构的参数（材料特性、模型、载荷等）和要省去的材料百分比。给每个有限元的单元赋予内部伪密度来实现。这些伪密度用PLNSOL ，TOPO 命令来绘出。拓扑优化的目标——目标函数——是在满足结构的约束（V ）情况下减少结构的变形能。减小结构的变形能相当于提高结构的刚度。这个技术通过使用设计变量。 结构拓扑优化的基本思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料分布的问题。通过拓扑优化分析，设计人员可以全面了解产品的结构和功能特征，可以有针对性地对总体结构和具体结构进行设计。特别在产品设计初期，仅凭经验和想象进行零部件的设计是不够的。只有在适当的约束条件下，充分利用拓扑优化技术进行分析，并结合丰富的设计经验，才能设计出满足最佳技术条件和工艺条件的产品。连续体结构拓扑优化的最大优点是能在不知道结构拓扑形状的前提下，根据已知边界条件和载荷条件确定出较合理的结构形式，它不涉及具体结构尺寸设计，但可以提出最佳设计方案。拓扑优化技术可以为设计人员提供全新的设计和最优的材料分布方案。拓扑优化基于概念设计的思想，作为结果的设计空间需要被反馈给设计人员并做出适当的修改。最优的设计往往比概念设计的方案结构更轻，而性能更佳。经过设计人员修改过的设计方案可以再经过形状和尺寸优化得到更好的方案。 5.1.2优化拓扑的数学模型 优化拓扑的数学解释可以转换为寻求最优解的过程，对于他的描述是：给定系统描述和目标函数，选取一组设计变量及其范围，求设计变量的值，使得目标函数最小（或者最大）。一种典型的数学表达式为： ()()()12,,0,,0min ,g x x v g x x v f x v ?=??≤???? 式中，x -系统的状态变量；12g g 、-一等式和不等式的结束方程；(),f x v -目标函数；v -设计变量。 注：在上述方程中，x 作为系统的状态变量，并不是独立的变量，它是由设计变量得出的，并且与设计变量相关。 优化拓扑所要进行的数学运算目标就是，求取合适的设计变量v ，并使得目标函数值最小。 5.2基于ANSYS 的优化拓扑的一般过程 （进行内容排版修改） 在ANSYS 中，进行优化拓扑，一般分为6个步骤。具体流程见图5-1：

具有多种约束的连续体结构拓扑优化

文章编号:1004Ο8820(2003)02Ο0138206 具有多种约束的连续体结构拓扑优化 江允正,王子辉,初明进 (烟台大学土木工程系,山东烟台264005) 摘要:对于具有多种约束条件的连续体结构的拓扑优化设计,本文提出一种通用优化方 法:首先用优化方法确定微孔或称为基点的位置,然后再扩大微孔并确定其边界.文中对 于具有应力和位移约束的几个平面问题进行拓扑优化,计算结果十分令人满意. 关键词:结构拓扑优化;结构优化;连续体; 中图分类号:TP391.72 文献标识码:A 近年来,Bendsoe 和K ikuchi [1]等广泛采用连续体拓扑优化的均匀方法.首先从连续介质中人为地引进某一形式的微结构,例如周期性分布的微孔洞;然后用以数学中扰动理论为基础的均匀化方法这一数学工具建立材料的宏观弹性性质和微结构尺寸的关系,连续介质的拓扑优化就转化为决定微结构尺寸最优分布的尺寸优化问题,可以采用成熟的尺寸优化算法.迄今为止的均匀化方法还不能给出带有微观结构的材料的宏观许用应力和微结构尺寸的关系,因此到目前为止均匀优化方法可以求解的拓扑优化问题还很有限.均匀化方法的另一缺点是求得的最终设计可能具有很不清晰的拓扑,即结构中有的区域是相对密度介于0和1之间的多孔介质;文献[2]提出修改的满应力法来求解受应力约束的平面弹性体的拓扑优化问题,也仅能考虑应力约束问题;文献[3]提出统一骨架与连续体的结构拓扑优化的ICM 理论与方法.这些方法,基本上都采用有限元法进行结构分析,为了使边界光滑,不得不划分很细的单元,对于一般平面问题,单元数目都在数千个之上,计算效率低.总之,拓扑优化是最具挑战性而又困难的问题,优化方法仍然处在发展初期.这一领域迫切需要取得进展,开发通用的算法仍是挑战. 如上所述,采用均匀方法时,首先从连续介质中人为地引进某一形式的微结构,例如周期性分布的微孔洞.我们认为微孔洞的数量和位置应该用优化方法确定.并称这种微孔的中心叫做删除区的基点.然后扩大微孔,用优化方法确定孔的边界.于是,连续体结构的拓扑优化,可以归结为确定删除区的基点位置及其边界的问题. 1　方　法 对于一个二维连续体,当给定外载和支承位置时,满足应力、位移等各种约束条件下的结构最优拓扑问题,都可以按如下步骤来求解: 收稿日期:2002-12-17 作者简介:江允正(1942-),男,湖南衡阳人,教授,主要从事结构优化方向教学与研究工作. 第16卷第2期 烟台大学学报(自然科学与工程版)Vol.16No.22003年4月Journal of Y antai University (Natural Science and Engineering Edition )　Apr.2003

半挂车说明书

半挂车系列 使用说明书 辽宁融富通铝业股份有限公司 、八、- 刖言 我公司新开发研制的系列半挂车采用优质铝合金材料，结构先进、性能优良、使用可靠、维修方便。使用本半挂车可有效地提高运输效率、降低运输成本、增加经济效益，是理想的公路运输用车。 为使您了解本半挂车的结构、性能、使用、维修及维护保养，充分发挥半挂车的使用效能、有效地提高使用寿命，特编制本说明书，请您按照本说明书的要求，正确操作、合理使用、及时保养和维修。 本说明书仅对半挂车的结构、性能、使用及维护保养方法做重点说明。 牵引车部分按《牵引车使用说明书》进行使用和保养。 您在使用过程中如果发现该半挂车有什么问题，或者还有什么要求，请及时反馈给本公司，本公司竭诚为用户服务，尽力满足用户的需求。 目录 一、外形简图 二、主要技术参数 三、使用范围 四、使用保养及注意事项 五、各主要总成的结构特点及使用与保养 六、产品的运输与贮存 七、质量保证 八、随车工具、备件及技术资料 一、半挂车外形简图

主要技术参数 1、________ 型厢式半挂车 外形尺寸 (mm)： 长 宽 高 车厢栏板内尺寸 (mm)： 长 宽 高 最大总质量 (kg) ： 轴荷 (kg) ： 牵引销处 半挂车三轴 整车整备质量 (kg) ： 额定载质量 (kg) ： 半挂车轮距 (mm)： 半挂车轴距 (mm)： 后悬： 车轮： 轮胎规格： 车轮数量 ( 个) ： 轮胎气压 (KPa) ： 轮辋形式： 轴数： 离去角 三、列车的使用范围：本半挂是公路用车，即在道路条件较好的情况下，能充分发挥其效能。如 在道路条件较差的情况下，要限制使用，即采取减载缓行等措施。 四、列车的使用保养及注意事项： 1、牵引车与半挂车的脱开： （1）将列车停在平坦的场地或路面上，摇下支撑装置，使其在接触地面后充分受力，关闭气分离

看图讲解半挂车主要结构

看完分类，我们再对挂车进行一次解剖，详细为大家介绍一下挂车的各个组成部分,上图是普通栏板半挂车的结构简图，从图中我们可以看到挂车的主要组成部分及位置，下面就是对这些部位的详细解析。 1.车架 车架主要由大梁--焊接工字钢、支撑横梁、连接横梁、边梁、锁头、牵引销连接装置、面板等组成。 边梁一般都是槽钢或者折弯件，目前大多挂车都用槽钢，轻体挂折弯件边梁会多些，因为对强度的要求不是太大。支撑横梁就是贯穿梁，现在大多都是W梁了（上图就是W梁做贯穿梁），重货时才用10#以上的槽钢。 2.上装部分

对栏板车而言，上装部分指栏板、龙门架等。栏板又分平板和竖瓦楞板，竖瓦楞板是典型用板，强度会高些。 龙门架栏板 龙门架也可以叫做“前挡”，一般不是特别要求的话厂家都会活式可拆卸的，所以常拉重货且易滑动的货物一定要把龙门架做焊死的基础上再加两道斜拉。 3.牵引销 牵引销是半挂车与牵引车连接并承受牵引力的重要构件，与牵引座相连接。一般是铬合金结构的钢锻制而成。

对于不同的载货吨位有50#牵引销、90#牵引销之分。一般以50T挂车及货物总重为限，50T以下用50#销，50T以上是90#，90T以上的话保险起见会用90#牵引销了。 4.悬挂系统 一般的半挂车悬挂都是采用非独立钢板冲压式刚性悬挂，有串联式钢板弹簧和悬挂支座组成，用来支撑载荷，减缓车货动载的冲击。 串接式钢板簧平衡悬架 单点悬架空气悬架

刚性悬架（一线两轴） 因专用车使用用途不同，对悬挂的设计也有不同的要求，悬挂常用的有4种：串接式钢板簧平衡悬架、单点悬5.行走部分

车桥 半挂车车桥为支撑桥，国内主要是广东富华桥、BPW桥、约克桥、安桥，其中广东富华桥最受欢迎，车桥通过板簧和拉杆与悬挂装置与车架相连用以在车架和车轮之间支撑和传递载荷的作用力。

半挂车设计计算书样本

半挂车，具有机动灵活、倒车方便和适应性好的特点，这种车能够提高装载量，降低运输成本，提高运输效率。由于装载量的不同要求，对于车架的承受载荷也有不同，该半挂车的轴距较大，因而对车架的强度与刚度的要求也较高。对车架的强度与刚度进行了分析计算。 半挂车参数表 车架结构设计 本车架采用采平板式，为了具有足够的强度和刚度，所设计车架材料选用 Q235钢板，采用焊接式结构。 2.1总体布置

纵梁是车架的主要承载部件，在半挂车行驶中受弯曲应力。为了满足半挂车公路运输、道路条件差等使用性能的要求，纵梁采用具有很好抗弯性能 的箱形结构，纵梁断廂如图2所示。上翼板是一块覆盖整个车架的大板，图 中只取一部分。 腹板 ，…下翼板 图2纵梁截面示意图 为了保证纵梁具有足够的强度，在牵引销座近增加了加强板；为减小局部应力集中，在一些拐角处采用圆弧过渡。在轮轴座附近也增加了加强板（图1中轮轴座附近）。由于半挂车较宽，为防止中间局部变形过大，车架的中间增加了倒T形的纵梁加强板。

图3部分加强板示意图 2.3横梁 横梁是车架中用来连接左右纵梁，构成车架的主要构件。横梁本身的抗扭性能及其分布直接影响着纵梁的内应力大小及其分布。本车架的19根横梁，主要结构形状为槽形。 2.4纵梁和横梁的连接 车架结构的整体刚度，除和纵梁、横梁自身的刚度有关外，还直接受节点连接刚度的影响，节点的刚度越大，车架的整体刚度也越大。因此，正确选择和合理设计横梁和纵梁的节点结构，杲车架设计的重要冋题，下廂介绍几种节点结构。 一、横梁和纵梁上下翼缘连接(见图4( a))这种结构有利于提高车架的扭转 刚度，但在受扭严重的情况下，易产生约束扭转，因而在纵梁翼缘处合出现较大内应力。该结构形式一般用在半挂车鹅劲区、支承装置处和后悬架支承处。

拓扑优化技术

拓扑优化技术 第1节基本知识 一、拓扑优化的概念 拓扑优化是指形状优化，有时也称为外型优化。拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多载荷的物体的最佳材料分配方案。这种方案在拓扑优化中表现为“最大刚度”设计。 与传统的优化设计不同的是，拓扑优化不需要给出参数和优化变量的定义。目标函数、状态变量和设计变量都是预定义好的。用户只需要给出结构的参数（材料特性、模型、载荷等）和要省去的材料百分比。 拓扑优化的目标—目标函数—是在满足结构的约束（V）情况下减少结构的变形能。减小结构的变形能相当于提高结构的刚度。这个技术通过使用设计变量（ i）给每个有限元的单元赋予内部伪密度来实现。这些伪密度用PLNSOL，TOPO命令来绘出。 ANSYS提供的拓扑优化技术主要用于确定系统的最佳几何形状，其原理是系统材料发挥最大利用率，同时确保系统的整体刚度（静力分析）、自振频率（模态分析）在满足工程要求的条件下获得极大或极小值。 拓扑优化应用场合：线性静力分析和模态分析。 拓扑优化原理：满足结构体积缩减量的条件下使目标函数结构柔量能量（the enery of structure compliance—SCOMP）的极小化。结构柔量能量极小化就是要求结构刚度的最大化。 例如，给定V=60表示在给定载荷并满足最大刚度准则要求的情况下省去60%的材料。图19-1表示满足约束和载荷要求的拓扑优化结果。图19-1a表示载荷和边界条件，图19-b 表示以密度云图形式绘制的拓扑结果。 图19-1 体积减少60%的拓扑优化示例 二、拓扑优化的基本过程 拓扑优化的基本步骤如下：

1．定义结构问题定义材料弹性模量、泊松系数、材料密度。 2．选择单元类型拓扑优化功能中的模型只能采用下列单元类型： ● 二维实体单元：Plane2和Plane82，用于平面应力问题和轴对称问题。 ● 三维实体单元：Solid92、Solid95。 ● 壳单元：SHELL93。 3．指定优化和不优化区域ANSYS只对单元类型编号为1的单元网格部分进行拓扑优 化，而对单元类型编号大于1的单元网格部分不进行拓扑优化，因此，拓扑优化时要确保进行拓扑优化区域单元类型编号为1，而不进行拓扑优化区域单元类型编号大于1即可。 4．定义并控制载荷工况或频率提取可以在单个载荷工况和多个载荷工况下做拓扑优化，单载荷工况是最简便的。 要在几个独立的载荷工况中得到优化结果时，必须用到写载荷工况和求解功能。在定义完每个载荷工况后，要用LSWRITE命令将数据写入文件，然后用LSSOLVE命令求解载荷工况的集合。 5．定义和控制优化过程拓扑优化过程包括定义优化参数和进行拓扑优化两个部分。用户可以用两种方式运行拓扑优化：控制并执行每一次迭代或自动进行多次迭代。 ANSYS有三个命令定义和执行拓扑优化：TOPDEF，TOPEXE和TOPITER。TOPDEF 命令定义要省去材料的量，要处理载荷工况的数目，收敛的公差；TOPEXE命令执行一次优化迭代；TOPITER命令执行多次优化迭代。 （1）定义优化参数首先要定义优化参数。用户要定义要省去材料的百分比，要处理载荷工况的数目，收敛的公差。 命令：TOPDEF GUI：Main Menu>Solution>Solve>Topological opt 注:本步所定义的内容并不存入ANSYS数据库中，因此在下一个拓扑优化中要重新使用TOPDEF命令。 （2）执行单次迭代定义好优化参数以后，可以执行一次迭代。迭代后用户可以查看收敛情况并绘出或列出当前的拓扑优化结果。可以继续做迭代直到满足要求为止。如果是在GUI方式下执行，在Topological Optimization 对话框（ITER域）中选择一次迭代。 命令：TOPEXE GUI：Main Menu>Solution>Solve>Topological opt TOPEXE的主要优点是用户可以设计自己的迭代宏进行自动优化循环和绘图。在下一节，可以看到TOPITER命令是一个ANSYS的宏，用来执行多次优化迭代。 （3）自动执行多次迭代 在定义好优化参数以后，用户可以自动执行多次迭代。在迭代完成以后，可以查看收敛情况并绘出或列出当前拓扑形状。如果需要的话，可以继续执行求解和迭代。TOPITER 命令实际是一个ANSYS的宏，可以拷贝和定制。

拓扑优化

结构拓扑优化设计现状及前景 目前, 最优化设计理论和方法在机械结构设计中得到了深入的研究和广泛的应用。所谓优化设计就是根据具体的实际问题建立其优化设计的数学模型, 并采用一定的最优化方法寻找既满足约束条件又使目标函数最优的设计方案。根据优化问题的初始设计条件, 目前结构优化技术有四大领域: 1) 尺寸优化; 2) 形状优化; 3) 拓扑与布局优化; 4) 结构类型优化。结构尺寸优化是在结构的拓扑确定的前提下, 首先用少量尺寸对结构的某些变动进行表达, 如桁架各单元的横截面尺寸、某些节点位置的变动等, 然后在此基础上建立基于这些尺寸参数的数学模型并采用优化方法对该模型进行求解得到最优的尺寸参数。在尺寸优化设计中, 不改变结构的拓扑形态和边界形状, 只是对特定的尺寸进行调整, 相当于在设计初始条件中就增加了拓扑形态的约束。而结构最初始的拓扑形态和边界形状必须由设计者根据经验或实验确定, 而不能保证这些最初的设计是最优的, 所以最后得到的并不是全局最优的结果。结构形状优化是指在给定的结构拓扑前提下, 通过调整结构内外边界形状来改善结构的性能。以轴对称零件的圆角过渡形状设计的例子。形状设计对边界形状的改变没有约束,和尺寸优化相比其初始的条件得到了一定的放宽,应用的范围也得到了进一步的扩展。拓扑优化设计是在给定材料品质和设计域内,通过优化设计方法可得到满足约束条件又使目标函数最优的结构布局形式及构件尺寸。拓扑设计的初始约束条件更少, 设计者只需要提出设计域而不需要知道具体的结构拓扑形态。拓扑设计方法是一种创新性

的设计方法, 能为我们提供一些新颖的结构拓扑。目前, 拓扑设计理论在柔性受力结构、MEMS 器件及其它柔性微操作机构的设计中得到了广泛的研究。 结构拓扑优化的发展概况 结构拓扑优化包括离散结构的拓扑优化和连续变量结构的拓扑优化。近10 年来, 结构拓扑优化设计虽然取得了一些进展, 但大部分是针对连续变量的, 关于离散变量的研究为数甚少。由于离散变量优化的目标函数和约束函数是不连续、不可微的, 可行域退化为不连通的可行集, 所以难度远大于连续变量优化问题。在离散结构中, 桁架在工程中的应用较为广泛, 由于其重要性, 也由于其分析比较简单, 桁架结构的拓扑优化在文献中研究得最多. 结构拓扑优化的历史可以追溯到1904 年Michell提出的桁架理论, 但这一理论只能用于单工况并依赖于选择适当的应变场, 不能应用于工程实际。1964 年Dorn、Gomory、Greenberg 等人提出基结构法( ground structure approach) , 将数值方法引入该领域, 此后拓扑优化的研究重新活跃起来, 陆续有一些解析和数值方面的理论被 提出来。所谓基结构就是一个由结构节点、荷载作用点和支承点组成的节点集合, 集合中所有节点之间用杆件相连的结构。该方法的基本思路是: 从基结构的模型出发, 应用优化算法( 数学规划法或准则法) , 按照某种规划或约束, 将一些不必要的杆件从基结构中删除, 例如截面积达到零或下限的杆件将被删掉, 并认为最终剩下的杆件 决定了结构的最优拓扑。因此应用基结构, 可以将桁架拓扑优化当作